KR101613510B1 - Multi-Mode Low-Noise Pipeline ADC - Google Patents

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KR101613510B1 KR1020140053452A KR20140053452A KR101613510B1 KR 101613510 B1 KR101613510 B1 KR 101613510B1 KR 1020140053452 A KR1020140053452 A KR 1020140053452A KR 20140053452 A KR20140053452 A KR 20140053452A KR 101613510 B1 KR101613510 B1 KR 101613510B1
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Abstract

본 발명은 복수의 MDAC들과 복수의 flash ADC들을 포함하는 N단으로 구성된 파이프라인 구조의 ADC에 관한 것으로서 마지막 단으로부터 순차적으로 MDAC 및 flash ADC를 포함하는 한 개의 단 이상을 차단하여 상기 ADC에서 결정되는 비트의 수를 조절하는 것을 특징으로 함으로써, 다중 모드로 구동이 가능하다.The present invention relates to an ADC having an N-stage pipeline structure including a plurality of MDACs and a plurality of flash ADCs, wherein one or more stages including the MDAC and the flash ADC are sequentially blocked from the last stage, The number of bits to be controlled is controlled so that it is possible to drive in a multi-mode.

Description

다중 모드 저 잡음 CMOS 파이프라인 ADC {Multi-Mode Low-Noise Pipeline ADC}Multi-mode Low-Noise Pipeline ADC < RTI ID = 0.0 >

본 발명은 CMOS 파이프라인 ADC에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 마지막 단으로부터 순차적으로 MDAC 및 flash ADC를 포함하는 한 개의 단 이상을 차단하여 다중 모드로 구동이 가능한 CMOS 파이프라인 ADC에 관한 것이다.The present invention relates to a CMOS pipelined ADC, and more particularly, to a CMOS pipelined ADC that can be driven in multiple modes by sequentially blocking one or more stages including MDAC and flash ADC from the last stage.

최근 CMOS image sensor (CIS)는 charge-coupled device (CCD)와 달리 소면적, 저전력, 저렴한 생산 비용, 빠른 동작속도의 특징을 가짐과 동시에 CMOS 공정을 사용하는 다른 회로들과 함께 온-칩으로 집적 가능함에 따라 모바일 기기, 의료용 영상장비, 자동차 시스템 및 고해상도 디지털카메라에 이르기까지 폭넓은 분야에서 활용되고 있다. 특히, digital single-lens reflex (DSLR) 카메라와 같은 고해상도 디지털카메라에 사용되는 고성능 CIS 응용을 위한 저전력 A/D 변환기 (analog-to-digital converter : ADC)의 수요가 급격히 증가하고 있다. 도 1은 면적 및 전력소모를 최적화하기 위해 여러 개의 column을 그룹으로 나누어 처리하는 cluster-parallel ADC 구조의 고성능 CIS 블록 다이어그램을 나타낸 것으로 pixel array, row/column scanner, correlated double sampling (CDS) 회로, analog MUX, variable gain amplifier (VGA) 및 ADC로 구성된다. 이때, 고해상도 디지털카메라 응용을 위한 ADC는 정지 영상 모드에서 고화질의 선명한 이미지를 제공하기 위해 14비트 50MS/s의 고해상도 ADC가 요구되며, 비디오 영상 모드에서는 많은 양의 데이터를 신속하게 처리하기 위해 10비트 70MS/s의 ADC가 요구된다. 최근 상업용 CIS 시장에서는 single-slope ADC (SS-ADC), successive approximation register-based ADC (SAR-ADC) 및 cyclic ADC가 주로 사용된다. SS-ADC는 구조가 간단하여 작은 면적을 가지고 적은 전력을 소모하며 변환 성능이 우수한 장점이 있다. 그러나 하나의 샘플링 된 입력을 N 비트 변환하는데 2N 클록 사이클 이상이 필요하므로 높은 해상도를 구현할 경우 동작속도가 제한되는 문제가 있다. 또한, SAR-ADC와 cyclic ADC의 경우 N 비트 해상도 구현을 위해서는 N 번의 클록만으로 A/D 변환이 가능하여 SS-ADC에 비해 비교적 빠른 동작속도를 구현할 수 있는 장점이 있지만 고해상도의 CIS 응용에서는 여전히 동작속도의 한계가 있다. 또한 SAR-ADC는 digital-to-analog converter (DAC) 내 사용되는 커패시터의 수가 해상도에 비례하여 지수적으로 증가하는 문제로 인해 면적 및 전력소모가 급격히 증가하고, 기생 커패시턴스 및 커패시터 부정합 등으로 인해 14비트 이상의 해상도를 만족시키기 어려운 단점이 있다.Unlike charge-coupled devices (CCDs), CMOS image sensors (CISs) are characterized by small area, low power, low cost, and high operating speed, and are integrated on-chip with other circuits using CMOS processes It is being used in a wide range of fields, from mobile devices, medical imaging equipment, automotive systems and high-resolution digital cameras. In particular, the demand for low power analog-to-digital converters (ADC) for high performance CIS applications in high resolution digital cameras such as digital single-lens reflex (DSLR) cameras is rapidly increasing. FIG. 1 shows a high-performance CIS block diagram of a cluster-parallel ADC structure in which a plurality of columns are divided into groups in order to optimize area and power consumption. A pixel array, a row / column scanner, a correlated double sampling (CDS) MUX, variable gain amplifier (VGA) and ADC. In this case, ADC for high resolution digital camera application requires 14-bit 50 MS / s high-resolution ADC to provide high-quality clear image in still image mode. In video image mode, 10-bit An ADC of 70MS / s is required. In recent commercial CIS market, single-slope ADC (SS-ADC), successive approximation register-based ADC (SAR-ADC) and cyclic ADC are mainly used. The SS-ADC has a simple structure, it has a small area, consumes less power, and has an excellent conversion performance. However, since more than 2 N clock cycles are required for N-bit conversion of one sampled input, there is a problem that the operation speed is limited when a high resolution is implemented. In the case of the SAR-ADC and the cyclic ADC, A / D conversion can be performed only with N clocks to realize N-bit resolution, which is advantageous in that the operation speed is comparatively faster than that of the SS-ADC. However, There is a speed limit. In addition, the SAR-ADC has a problem in that the number of capacitors used in a digital-to-analog converter (DAC) increases exponentially in proportion to the resolution, resulting in a drastic increase in area and power consumption, and a significant increase in capacitance due to parasitic capacitance and capacitor mismatch. Bit resolution or more.

그 결과 다양한 ADC 구조 중에서 14비트 이상의 고해상도와 수십 MS/s 이상의 동작속도를 동시에 만족시키면서, 전력소모 및 면적을 최소화하기 위해 파이프라인 구조가 주로 사용된다. 최근에는 14비트 이상의 고해상도 구현을 위해 다양한 보정 기법들이 사용되고 있는 추세이지만, 추가적으로 요구되는 회로들로 인해 시스템의 복잡도가 증가하여 system-on-a-chip (SoC) 응용을 위한 intellectual property (IP)로 사용하기에는 어려움이 있다.As a result, a pipeline structure is mainly used for minimizing power consumption and area while simultaneously satisfying a high resolution of 14 bits or more and an operation speed of several tens MS / s or more among various ADC structures. In recent years, various correction techniques have been used to realize a high resolution of 14 bits or more. However, due to additional required circuits, the complexity of the system has increased, resulting in intellectual property (IP) for system-on-a-chip It is difficult to use.

한국공개특허 "파이프라인 아날로그-디지털 변환기(10-2011-0049522)"Korean Patent "Pipeline Analog-to-Digital Converter (10-2011-0049522)"

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 마지막 단으로부터 순차적으로 MDAC 및 flash ADC를 포함하는 한 개의 단 이상을 차단하여 다중 모드로 구동이 가능한 CMOS 파이프라인 ADC를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a CMOS pipeline ADC that can be driven in multiple modes by sequentially blocking one or more stages including MDAC and flash ADC from the last stage.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 복수의 MDAC들과 복수의 flash ADC들을 포함하는 N단으로 구성된 파이프라인 구조의 ADC에 있어서, 마지막 단으로부터 순차적으로 MDAC 및 flash ADC를 포함하는 한 개 단 이상을 차단하여 상기 ADC에서 결정되는 비트의 수를 조절하는 것을 특징으로 하는 ADC를 제공한다.In order to solve the above-described problems, the present invention provides an ADC having a pipeline structure including N stages and including a plurality of MDACs and a plurality of flash ADCs, wherein one or more stages including an MDAC and a flash ADC And adjusts the number of bits determined by the ADC.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 마지막 단의 MDAC 및 flash ADC는 각각 바이어스 회로에 차단 스위치를 포함하고, 상기 마지막 단의 MDAC 및 flash ADC는 상기 각각의 차단 스위치에 의해 차단되는 것을 특징으로 하는 ADC일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the MDAC and the flash ADC of the last stage each include a cutoff switch in the bias circuit, and the MDAC and the flash ADC of the last stage are cut off by the respective cutoff switches ADC.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 이득 부스팅 기법이 적용된 증폭기를 사용하는 입력단 SHA를 포함할 수 있고, 상기 입력단 SHA에 사용된 증폭기는, NMOS단 이득 부스팅 증폭기는 PMOS 입력을 갖고, PMOS단 이득 부스팅 증폭기는 NMOS 입력을 갖는 폴디드 캐스코드(folded-cascode) 증폭기일 수 있으며, 상기 입력단 SHA에 사용된 증폭기는, 증폭기 잡음을 최소화하기 위하여 전류원 트랜지스터의 트랜스컨덕턴스를 포화영역 안에서 최대로 감소시키고, 입력단 트랜지스터의 트랜스컨덕턴스를 포화영역 안에서 최대로 증가시키는 것을 특징으로 하는 ADC일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the amplifier used for the input stage SHA may include an input stage SHA using an amplifier to which a gain boosting technique is applied, the NMOS stage gain boosting amplifier having a PMOS input, The amplifier may be a folded-cascade amplifier having an NMOS input, and the amplifier used in the input stage SHA may maximize the transconductance of the current source transistor within the saturation region to minimize amplifier noise, To maximize the transconductance of the transistor within the saturation region.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 첫 번째 단의 MDAC와 두 번째 단의 MDAC는 하나의 증폭기를 공유할 수 있고, 상기 첫 번째 단의 MDAC와 두 번째 단의 MDAC가 공유하는 증폭기는, 두 쌍의 NMOS 입력단으로 구성되며, 상기 두 개의 NMOS 입력단 중 사용하지 않는 입력단을 교대로 소정의 바이어스 전압으로 초기화시킬 수 있으며, 상기 첫 번째 단의 MDAC와 두 번째 단의 MDAC가 공유하는 증폭기는, 두 개의 NMOS 입력단을 선택시, 위상이 중첩되는 클록을 사용할 수 있으며, 증폭기 잡음을 최소화하기 위하여 전류원 트랜지스터의 트랜스컨덕턴스를 포화영역 안에서 최대로 감소시키고, 입력단 트랜지스터의 트랜스컨덕턴스를 포화영역 안에서 최대로 증가시키는 것을 특징으로 하는 ADC일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the MDAC of the first stage and the MDAC of the second stage may share one amplifier, and the amplifier shared by the MDAC of the first stage and the MDAC of the second stage may share two pairs And an NMOS input terminal of the first stage and an unused input terminal of the two NMOS input stages may be alternately initialized to a predetermined bias voltage. An amplifier shared by the first stage MDAC and the second stage MDAC may include two When the NMOS input stage is selected, a phase-overlapping clock can be used. In order to minimize amplifier noise, the transconductance of the current source transistor is maximized within the saturation region and the transconductance of the input stage transistor is maximized within the saturation region. Can be an ADC that is characterized.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 복수의 MDAC들의 증폭 동작에 사용되는 기준전압의 구동회로와 상기 복수의 flash ADC의 동작에 사용되는 기준전압의 구동회로가 분리된 기준전류 및 기준전압 발생기를 포함할 수 있고, 상기 기준전류 및 기준전압 발생기는 온-칩으로 집적될 수 있으며, 내부에 집적된 기준전압 또는 외부에서 인가되는 기준전압을 선택적으로 사용하는 것을 특징으로 하는 ADC일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, a reference current and a reference voltage generator in which a driving circuit of a reference voltage used for amplifying the plurality of MDACs and a driving circuit of a reference voltage used for operation of the plurality of flash ADCs are separated, The reference current and the reference voltage generator may be integrated on-chip, and may be an ADC that selectively uses an integrated reference voltage or an externally applied reference voltage.

본 발명은 상기 ADC를 포함하는 CMOS 이미지 센서를 제공할 수 있다.The present invention can provide a CMOS image sensor including the ADC.

본 발명에 따르면, 하나의 ADC로 다중 모드를 구현할 수 있다. 즉, 추가적인 보정 기법 없이 정지 영상 모드를 위한 14비트 50MS/s 및 비디오 영상 모드를 위한 10비트 70MS/s 성능을 동시에 구현할 수 있다. 또한, 10비트 70MS/s 모드에서는 14비트 50MS/s 모드에서와 동일한 입력 기준 잡음 (input-referred noise)을 확보하고 전력소모, 면적 및 잡음을 최소화할 수 있다.In accordance with the present invention, multiple ADCs can be implemented with one ADC. That is, 14 bit 50MS / s for still image mode and 10 bit 70MS / s performance for video image mode can be implemented simultaneously without additional correction technique. In addition, 10-bit 70 MS / s mode can achieve the same input-referred noise as in 14-bit 50 MS / s mode and minimize power consumption, area and noise.

도 1은 고해상도 디지털카메라 응용을 위한 고성능 CIS 블록 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 모드 파이프라인 ADC이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이득-부스팅 회로가 적용된 저 잡음 입력단 SHA 증폭기를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 증폭기 공유기법 기반의 고 이득 저 잡음 2단 증폭기를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스위치 기반의 바이어스 회로를 사용하는 MDAC를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전력소모 및 스위칭 잡음을 최소화한 기준전류 및 전압 발생기를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다중 모드 파이프라인 ADC의 칩 및 레이아웃 사진이다.
도 8 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 다중 모드 파이프라인 ADC의 실험 결과이다.
Figure 1 is a high performance CIS block diagram for high resolution digital camera applications.
2 is a multi-mode pipelined ADC according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 illustrates a low noise input stage SHA amplifier to which a gain-boosting circuit according to an embodiment of the present invention is applied.
4 illustrates a high gain low noise two stage amplifier based on an amplifier sharing technique according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 illustrates an MDAC using a switch-based bias circuit according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 illustrates a reference current and voltage generator that minimizes power consumption and switching noise according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
7 is a chip and layout photograph of a multimode pipelined ADC according to an embodiment of the present invention.
8 to 11 are experimental results of a multimode pipelined ADC according to an embodiment of the present invention.

본 발명에 관한 구체적인 내용의 설명에 앞서 이해의 편의를 위해 본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안의 개요 혹은 기술적 사상의 핵심을 우선 제시한다.Prior to the description of the concrete contents of the present invention, for the sake of understanding, the outline of the solution of the problem to be solved by the present invention or the core of the technical idea is first given.

본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 MDAC들과 복수의 flash ADC들을 포함하는 N단으로 구성된 파이프라인 구조의 ADC는 마지막 단으로부터 순차적으로 MDAC 및 flash ADC를 포함하는 한 개의 단 이상을 차단하여 상기 ADC에서 결정되는 비트의 수를 조절하는 것을 특징으로 한다.An ADC having a pipeline structure including N stages and including a plurality of MDACs and a plurality of flash ADCs according to an exemplary embodiment of the present invention sequentially blocks MDACs and flash ADCs from the last stage, And the number of bits determined by the ADC is adjusted.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It will be apparent to those skilled in the art, however, that these examples are provided to further illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 당해 도면에 대한 설명시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다. 아울러 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명 그리고 그 이외의 제반 사항이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other features and advantages of the present invention will become more apparent by describing in detail preferred embodiments thereof with reference to the attached drawings in which: It is possible to quote the above. In the following detailed description of the principles of operation of the preferred embodiments of the present invention, it is to be understood that the present invention is not limited to the details of the known functions and configurations, and other matters may be unnecessarily obscured, A detailed description thereof will be omitted.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 모드 파이프라인 ADC이다.2 is a multi-mode pipelined ADC according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 다중 모드 파이프라인 ADC는 복수의 MDAC들과 복수의 flash ADC들을 포함하여 N단으로 구성되며, 마지막 단으로부터 순차적으로 MDAC 및 flash ADC를 포함하는 한 개의 단 이상을 차단하여 상기 ADC에서 결정되는 비트의 수를 조절한다.A multi-mode pipelined ADC according to an exemplary embodiment of the present invention includes N MDACs including a plurality of MDACs and a plurality of flash ADCs, and sequentially blocks MDACs and flash ADCs from the last stage. Thereby adjusting the number of bits determined by the ADC.

보다 구체적으로, 목적하는 사양에 따라 파이프라인의 단 수가 달라질 수 있으며, 그에 따라 포함되는 MDAC 및 flash ADC의 수가 달라질 수 있다. 또한, 마지막 단의 MDAC 및 flash ADC를 차단하거나, 두 개의 단 이상의 MDAC 및 flash ADC를 차단함으로써 이중 모드 또는 다중 모드로 이용할 수 있다. 상기 파이프라인의 단 수 또는 다중 모드 여부는 구현하고자 하는 ADC의 사양에 따라 달라질 수 있다. More specifically, the number of stages of the pipeline may vary according to the desired specifications, and thus the number of MDACs and flash ADCs involved may vary. It can also be used in dual mode or multi-mode by blocking the last stage MDAC and flash ADC, or by blocking two or more MDAC and flash ADCs. The number of stages of the pipeline or whether the pipeline is multi-mode may vary depending on the specifications of the ADC to be implemented.

상기 다중 모드를 구현하기 위하여, 상기 마지막 단의 MDAC 및 flash ADC는 각각 바이어스 회로에 차단 스위치를 포함하고, 상기 마지막 단의 MDAC 및 flash ADC는 상기 각각의 차단 스위치에 의해 차단될 수 있다. 상기 차단 스위치는 제어 신호에 따라 온 오프 될 수 있다. 상기 제어신호는 사용자의 입력 또는 미리 설정된 순서에 따라 달라질 수 있다. 입력단을 구성하는 입력단 SHA에 사용된 증폭기는 이득 부스팅 기법을 적용할 수 있다. 상기 입력단 SHA에 사용된 증폭기의 NMOS단 이득 부스팅 증폭기는 PMOS 입력을 갖고, PMOS단 이득 부스팅 증폭기는 NMOS 입력을 갖는 폴디드 캐스코드(folded-cascode) 증폭기를 사용할 수 있다. 상기 입력단 SHA에 사용된 증폭기는 증폭기 잡음을 최소화하기 위하여 전류원 트랜지스터의 트랜스컨덕턴스를 포화영역 안에서 최대로 감소시키고, 입력단 트랜지스터의 트랜스컨덕턴스를 포화영역 안에서 최대로 증가시킬 수 있다. 상기 전류원 트랜지스터의 트랜스컨덕턴스는 전류원 트랜지스터의 사양에 따라 결정될 수 있고, 상기 입력단 트랜지스터의 트랜스컨덕턴스 또한, 입력단 트랜지스터의 사양에 따라 결정될 수 있다. 또는 실험을 통해 열잡음이 최소가 되는 전류원 및 입력단 트랜지스터의 트랜스컨덕턴스를 산출하여 결정할 수 있다.In order to implement the multi-mode, the MDAC and flash ADC of the last stage each include a blocking switch in the bias circuit, and the MDAC and flash ADC of the last stage can be blocked by each blocking switch. The shutoff switch can be turned on and off according to a control signal. The control signal may vary according to a user's input or a predetermined order. The amplifier used for the input stage SHA, which constitutes the input stage, can be implemented by a gain boosting technique. The NMOS-only gain boosting amplifier of the amplifier used for the input stage SHA may have a PMOS input and the PMOS-only gain boosting amplifier may use a folded-cascode amplifier having an NMOS input. The amplifier used in the input stage SHA can maximize the transconductance of the current source transistor within the saturation region and maximize the transconductance of the input stage transistor within the saturation region in order to minimize the amplifier noise. The transconductance of the current source transistor may be determined according to the specification of the current source transistor, and the transconductance of the input terminal transistor may also be determined according to the specification of the input terminal transistor. Or by calculating the transconductance of the current source and the input terminal transistor that minimizes the thermal noise through the experiment.

첫 번째 단의 MDAC와 두 번째 단의 MDAC는 하나의 증폭기를 공유하여 면적 및 전력소모를 동시에 최소화한다. 상기 첫 번째 단의 MDAC와 두 번째 단의 MDAC가 공유하는 증폭기는 증폭기 공유시 발생하는 메모리 효과를 줄이기 위하여, 두 개의 NMOS 입력단 중 사용하지 않는 입력단을 교대로 소정의 바이어스 전압으로 초기화시킬 수 있고, 글리치 에너지를 줄이기 위하여, 두 개의 NMOS 입력단을 선택시, 위상이 중첩되는 클록을 사용할 수 있다. 상기 입력단 SHA와 같이, 상기 첫 번째 단의 MDAC와 두 번째 단의 MDAC가 공유하는 증폭기는 증폭기의 잡음을 최소화하기 위하여 전류원 트랜지스터의 트랜스컨덕턴스를 포화영역 안에서 최대로 감소시키고, 입력단 트랜지스터의 트랜스컨덕턴스를 포화영역 안에서 최대로 증가시킬 수 있다.The MDAC in the first stage and the MDAC in the second stage share one amplifier to minimize area and power consumption at the same time. The amplifiers shared by the MDAC of the first stage and the MDAC of the second stage may alternately initialize the unused input terminals of the two NMOS input stages to a predetermined bias voltage in order to reduce the memory effect generated when the amplifiers are shared, To reduce glitch energy, when two NMOS inputs are selected, a clock with overlapping phases can be used. Like the input stage SHA, the amplifier shared by the MDAC of the first stage and the MDAC of the second stage maximizes the transconductance of the current source transistor in the saturation region to minimize the noise of the amplifier and maximizes the transconductance of the input stage transistor It can be increased to the maximum within the saturation region.

기준전압의 불안정을 해결하기 위하여, 상기 복수의 MDAC들의 증폭 동작에 사용되는 기준전압의 구동회로와 상기 복수의 flash ADC의 동작에 사용되는 기준전압의 구동회로가 분리된 기준전류 및 기준전압 발생기를 포함한다. 상기 기준전류 및 기준전압 발생기는 온-칩으로 집적된다.
In order to solve the instability of the reference voltage, a reference current and a reference voltage generator in which a driving circuit of a reference voltage used for the amplifying operation of the plurality of MDACs and a driving circuit of a reference voltage used for the operation of the plurality of flash ADCs are separated . The reference current and the reference voltage generator are integrated on-chip.

이하에서는 14비트 및 10비트의 다중 모드를 구현한 도 2의 파이프라인 ADC를 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 ADC를 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, an ADC according to an embodiment of the present invention will be described in detail using a pipelined ADC of FIG. 2, which implements multi-mode of 14 bits and 10 bits.

본 발명의 실시예에 따른 ADC는 고성능 CIS 응용을 위해 정지 영상 모드의 14비트 50MS/s 및 비디오 영상 모드의 10비트 70MS/s를 동시에 구현하는 저 잡음 이중 모드 4단 파이프라인 구조로 구현된다. 10비트 70MS/s 모드로 동작할 때 마지막 단의 MDAC3 및 flash ADC4를 차단시켜 14비트 50MS/s 모드 및 10비트 70MS/s 모드에서 동일한 입력 기준 잡음을 갖는다. 입력단 SHA는 기존의 flip-around 구조를 사용하여 전력소모, 면적 및 잡음을 최소화할 수 있으며, flip-around 구조의 제약사항을 극복하기 위해 이득-부스팅 기반의 1단 folded-cascode 증폭기를 사용하여 요구되는 전압이득 및 대역폭을 만족시킨다. 또한 증폭기의 필요한 출력 스윙 마진을 충분히 고려하되 전류원 트랜지스터의 트랜스컨덕턴스를 감소시키고, 입력단 트랜스컨덕턴스를 증가시켜 증폭기 자체에서 발생하는 열잡음을 최소화할 수 있다. 전력소모 및 면적을 최소화하기 위해 첫 번째 및 두 번째 MDAC인, MDAC1 및 MDAC2에 사용되는 증폭기를 공유하고 분리된 두 쌍의 입력단을 사용함으로써 증폭기 공유에 따른 메모리 효과 문제를 효과적으로 감소시킬 수 있다. 이때, 증폭기는 캐스코드 주파수 보상 기법을 적용한 2단 증폭기를 사용하여 요구되는 전압이득을 얻음과 동시에 안정적인 신호 정착성능을 확보할 수 있다. 또한, SHA와 마찬가지로 전류원 트랜지스터 및 입력단 트랜스컨덕턴스 설계를 최적화하여 증폭기의 열잡음을 최소화할 수 있다. 마지막으로 MDAC의 증폭 동작과 flash ADC 동작 시 사용되는 기준전압 구동회로를 분리하여 서로 다른 부하조건 및 요구사양에 따른 기준전압 불안정 문제를 줄일 수 있다. 특히, 높은 해상도를 필요로 하는 MDAC에 연결되는 기준전압이 적은 전력만으로 충분한 정착성능을 확보할 수 있어 기준전압 구동회로에서 소모되는 전력을 최소화할 수 있다.The ADC according to the embodiment of the present invention is implemented in a low noise dual mode 4-stage pipeline structure for implementing 14 bit 50MS / s in still image mode and 70MS / s in 10 bit in video image mode for high performance CIS application. It has the same input reference noise in 14 bit 50 MS / s mode and 10 bit 70 MS / s mode by interrupting the last stage MDAC3 and flash ADC4 when operating in 10 bit 70 MS / s mode. The input stage SHA can minimize power consumption, area and noise by using the conventional flip-around architecture. To overcome the limitations of the flip-around architecture, a single stage folded-cascode amplifier based on gain- Voltage gain and bandwidth. In addition, the necessary output swing margin of the amplifier is sufficiently taken into consideration, but the transconductance of the current source transistor is reduced and the input stage transconductance is increased, thereby minimizing the thermal noise generated in the amplifier itself. In order to minimize power consumption and area, the first and second MDACs, MDAC1 and MDAC2, share the same amplifier and use two separate pairs of inputs to effectively reduce the memory effect of sharing the amplifier. At this time, the amplifier can obtain the required voltage gain and secure stable signal fixing performance by using the two-stage amplifier using the cascode frequency compensation technique. In addition, as with SHA, the thermal noise of the amplifier can be minimized by optimizing the current source transistor and input stage transconductance design. Finally, the MDAC amplification operation and the reference voltage driver circuit used in flash ADC operation can be separated to reduce the problem of reference voltage instability according to different load conditions and requirements. In particular, sufficient power can be secured with only a small reference voltage connected to the MDAC which requires high resolution, so that the power consumed in the reference voltage driving circuit can be minimized.

14비트 및 10비트 모드를 동시에 구현하는 이중 모드 ADC는 도 2와 같다. 첫 번째, 두 번째 및 세 번째 단에서 각각 4비트씩을 결정하고 마지막 단에서 5비트를 결정하는 4단 파이프라인 구조를 가진다. 외부로부터 인가되는 2.2VP -P의 높은 범위의 입력신호를 적절히 처리할 수 있도록 입력단 sample-and-hold amplifier (SHA), MDAC, flash ADC, 온-칩 기준전류 및 전압 발생기, 클록 발생기는 최소 게이트 길이가 0.35um인 thick-gate-oxide 트랜지스터로 구현되어 3.3V의 높은 전원 전압에서 동작할 수 있다. 그 반면, ISP로 낮은 전압의 디지털 데이터를 출력하기 위해 1.2V의 낮은 전원 전압을 사용하는 디지털 교정회로 및 분주기는 최소 게이트 길이가 0.13um인 thin-gate-oxide 트랜지스터로 구현될 수 있다. 14비트 50MS/s 모드에서는 4단 파이프라인 구조로 동작하지만, 10비트 70MS/s 모드에서는 마지막 단의 MDAC3 및 flash ADC4의 동작을 차단하여 14비트 50MS/s 및 10비트 70MS/s 모드에서 동일한 입력 기준 잡음을 갖는다. 한편, 2개의 커패시터를 사용하는 flip-around 구조 기반의 입력단 SHA는 샘플링 스위치에 Nyquist 주파수 입력에서도 높은 선형성을 유지하도록 게이트-부트스트래핑 회로를 사용하며, 이득-부스팅 (gain-boosting) 기법을 적용한 1단 증폭기를 사용하여 소모되는 전력을 줄이면서 넓은 동작 주파수 영역 및 안정적인 신호 정착을 위하여 충분한 위상여유를 얻을 수 있다. 또한, MDAC에는 낮은 임피던스 기반의 캐스코드 주파수 보상 기법을 적용한 2단 증폭기를 사용하여 충분한 위상여유 확보를 통해 안정적인 신호 정착을 얻을 수 있으며, 첫 번째 단 및 두 번째 단의 MDAC에는 하나의 증폭기를 공유하는 기법을 사용하여 면적 및 전력소모가 줄어든다. 또한, 고해상도 및 높은 동작속도를 위해 기준전류 및 기준전압 발생기를 온-칩으로 집적하여 핵심 아날로그 블록에 기준전류 및 기준전압을 안정적으로 공급하되, MDAC의 증폭 동작과 flash ADC 동작 시 요구되는 정확도 및 서로 다른 부하조건을 고려하여 기준전압 구동회로를 별도로 분리함으로써 스위치 동작에 따른 신호 간섭 등 불안정 문제를 해결함과 동시에 전력소모는 최소가 된다. 분주기를 포함하는 디지털 교정회로에서는 높은 전압의 클록 신호와 디지털 데이터를 낮은 전압 기반으로 변환하는 레벨-시프트 회로를 사용하여 다양한 CIS 시스템에서 즉각적인 응용이 가능하다.A dual-mode ADC that simultaneously implements 14-bit and 10-bit modes is shown in FIG. Stage pipeline structure that determines 4 bits each in the first, second and third stages and determines 5 bits in the last stage. In the upper range of the P -P 2.2V is applied from the outside to properly process the input signal input stage sample-and-hold amplifier (SHA ), MDAC, flash ADC, on-chip reference current and a voltage generator, the clock generator is at least It is implemented as a thick-gate-oxide transistor with a gate length of 0.35um and can operate at a high 3.3V supply voltage. On the other hand, a digital calibration circuit using a low 1.2V supply voltage and a divider can be implemented with a thin-gate-oxide transistor with a minimum gate length of 0.13um to output low-voltage digital data to the ISP. In the 14-bit 50MS / s mode, it operates in a 4-stage pipeline structure. However, in 10-bit 70MS / s mode, the operation of MDAC3 and flash ADC4 in the last stage is blocked, Has a reference noise. On the other hand, the input stage SHA based on the flip-around structure using two capacitors uses a gate-bootstrapping circuit to maintain high linearity in the Nyquist frequency input to the sampling switch, and a gain- With a single amplifier, sufficient phase margin can be obtained for a wide operating frequency range and stable signal setting while reducing power consumption. In MDAC, a stable signal can be obtained by securing a sufficient phase margin by using a two-stage amplifier using a low-impedance-based cascode frequency compensation technique. In the first and second stages, an amplifier is shared Area and power consumption are reduced. In addition, the reference current and the reference voltage generator are integrated on-chip for high resolution and high operation speed to stably supply the reference current and reference voltage to the core analog block, and the amplification operation of MDAC, By separately separating the reference voltage drive circuit in consideration of different load conditions, the problem of instability such as signal interference due to the switch operation is solved and power consumption is minimized. A digital calibration circuit including a divider can be used immediately in a variety of CIS systems using a high voltage clock signal and a level-shift circuit that converts digital data to a low voltage basis.

본 발명의 실시예에 따른 ADC는 이득 부스팅 기법을 적용한 입력단 SHA를 포함한다.The ADC according to the embodiment of the present invention includes an input stage SHA to which a gain boosting technique is applied.

보다 구체적으로, 입력단 SHA는 파이프라인 ADC 성능에 가장 큰 제약을 주는 블록으로써 14비트 해상도 수준에서 SHA의 신호 정착 오류, 비선형성 및 잡음 성분을 최소화하기 위해 높은 전압이득을 가지면서 동시에 빠른 동작속도를 갖는 증폭기가 요구된다. 만일 SHA에서 2단 증폭기를 사용할 경우, 높은 전압이득 및 충분한 출력 스윙 마진을 얻을 수 있지만 안정적인 동작이 가능하도록 충분한 위상여유를 얻기 위해서는 두 번째 단 증폭기의 입력단 트랜스컨덕턴스 (trans-conductance)를 증가시켜야 하고, 주파수 보상 기법을 사용해야 하기 때문에 전력소모가 증가하며, 1단 증폭기에 비하여 증폭기의 열잡음으로 인한 동적 성능 저하가 크게 발생한다. 통상 입력단 SHA 구조에는 flip-around 구조와 전하 재분배 구조가 많이 사용된다. 이렇게 2개의 커패시터를 사용하는 flip-around 구조를 전하 재분배 구조와 비교할 때, feedback factor (β)가 이상적으로는 2배 크기 때문에 동일한 폐 루프 대역폭을 얻기 위해서 요구되는 대역폭이 절반으로 줄어들어 전력소모를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, SHA에서 발생하는 입력 기준 잡음을 절반으로 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 그러나 flip-around 구조의 경우 증폭기 성능에 결정적인 영향을 미치는 입력 공통모드 전압이 입력 조건에 따라 변화하는 단점이 있다.More specifically, the input stage SHA is the block with the greatest constraint on the pipelined ADC performance. It has a high voltage gain and at the same time a fast operation speed to minimize the SHA signaling error, non-linearity and noise components at the 14- Is required. If a two-stage amplifier is used in a SHA, high voltage gain and sufficient output swing margin can be achieved, but to obtain sufficient phase margin to enable stable operation, the input stage transconductance of the second stage amplifier must be increased , The power consumption is increased because of the use of the frequency compensation technique, and the dynamic performance degradation due to the thermal noise of the amplifier is larger than that of the first stage amplifier. Usually, a flip-around structure and a charge redistribution structure are commonly used in the input stage SHA structure. When the flip-around structure using two capacitors is compared with the charge redistribution structure, since the feedback factor (β) is ideally twice as large, the bandwidth required to obtain the same closed loop bandwidth is reduced by half, minimizing power consumption In addition, there is an advantage that the input reference noise generated in the SHA can be reduced by half. However, in the case of flip-around structure, the input common-mode voltage, which has a decisive influence on the amplifier performance, varies depending on the input condition.

따라서 본 발명의 실시예에 따른 입력단 SHA는 flip-around 구조에서 홀딩 동작 시 발생하는 입력 공통모드 전압 변화에 대한 영향을 줄이고, 충분한 전압이득과 위상여유를 얻으며 증폭기의 열잡음으로 인한 성능저하를 최소화하기 위해 도 3과 같이 이득-부스팅 기법을 적용한 1단 folded-cascode 증폭기를 사용할 수 있다. 이때, 이득-부스팅 증폭기는 입력 공통모드 범위에 덜 민감하고 높은 전압이득을 얻기 위해 NMOS단 이득-부스팅 증폭기의 경우 PMOS 입력을, PMOS단 이득-부스팅 증폭기는 NMOS 입력을 갖는 folded-cascode 증폭기를 사용할 수 있다. 이득-부스팅 기법을 사용하게 되면 정착성능에 영향을 미치는 pole-zero 쌍 (doublet)이 이득-부스팅 증폭기의 단위이득 대역폭 (fu , ba) 부근에 형성된다. 전체 증폭기의 정착성능을 최적화하기 위해 fu , ba는 전체 증폭기의 f-3 dB와 두 번째 pole 사이에 형성되어야 하고, fu , ba가 두 번째 pole에 근접할수록 doublet에 의한 영향이 적어진다. 이를 최적화한 결과, 전체 증폭기는 100dB 수준의 높은 전압이득을 얻을 수 있고, 86도의 안정적인 위상여유를 만족하도록 설계되어 최적화된 정착성능을 나타낸다.Therefore, the input stage SHA according to the embodiment of the present invention reduces the influence on the input common mode voltage change during the holding operation in the flip-around structure, obtains sufficient voltage gain and phase margin, and minimizes the performance degradation due to the thermal noise of the amplifier As shown in FIG. 3, a single stage folded-cascode amplifier using a gain-boosting technique can be used. In this case, the gain-boosting amplifier is less susceptible to the input common-mode range and uses a folded-cascode amplifier with a PMOS input for the NMOS single gain-boosting amplifier and a NMOS input for the PMOS single- . Gain - The use of the boosting mechanism pole-zero pair (doublet) affecting the fixing performance benefit - is formed near the unity gain bandwidth of the boosting amplifier (f u, ba). To optimize the fixing performance of the overall amplifier f u, ba should be formed between the whole amplifier f -3 dB and the second pole and, f u, more ba is close to the second pole, the less the effect of the doublet. As a result of this optimization, the overall amplifier achieves a high voltage gain of 100dB, and is designed to meet a 86 ° stable phase margin to achieve optimized fusing performance.

한편, SHA의 샘플링 스위치로부터 발생하는 kT/C 잡음 및 증폭기의 열잡음 역시 전체 ADC의 동적 성능에 큰 제약을 주는 요소이다. SHA의 kT/C 잡음은 샘플링 커패시터 크기에 의해서 결정이 되고, folded-cascode 증폭기 자체에서 발생하는 열잡음은 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.On the other hand, the kT / C noise generated from the SHA sampling switch and the thermal noise of the amplifier are also factors that limit the dynamic performance of the entire ADC. The kT / C noise of the SHA is determined by the sampling capacitor size, and the thermal noise generated by the folded-cascode amplifier itself can be expressed by Equation (1).

Figure 112014042280072-pat00001
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Folded-cascode 증폭기의 열잡음에 큰 영향을 주는 소자는 도 3의 입력단 트랜지스터 (M1, M2)와 전류원 트랜지스터 (M4, M5), (M10, M11)이다. 증폭기에서 필요한 출력 스윙 마진을 고려하되, (M4, M5), (M10, M11)의 과도구동 전압 (VOV)을 최대로 증가시켜 트랜스컨덕턴스를 줄이고, (M1, M2)의 트랜스컨덕턴스를 증가시킴으로써 증폭기 자체에서 발생하는 열잡음 성분을 최소화할 수 있으며, SHA의 샘플링 커패시터는 14비트의 해상도와 2.2VP-P의 입력신호 범위를 고려하여 6pF을 사용함으로써 kT/C 잡음에 의한 동적 성능 저하를 완화할 수 있다. 또한, 14비트 이상의 해상도로 왜곡 없이 샘플링하기 위해 입력 샘플링 스위치에는 게이트-부트스트래핑 회로를 사용하여 입력신호의 크기에 독립적인 온-저항을 갖도록 할 수 있다.The input stage transistors M1 and M2 and the current source transistors M4 and M5 and M10 and M11 in FIG. 3 have a great influence on the thermal noise of the folded-cascode amplifier. Consider the output swing margin required in the amplifier, by maximizing the transient drive voltage (V OV ) of (M4, M5), (M10, M11) to reduce transconductance and increasing the transconductance of The thermal noise generated by the amplifier itself can be minimized. SHA's sampling capacitor can be used to mitigate dynamic performance degradation due to kT / C noise by using 6pF considering 14-bit resolution and 2.2V PP input signal range. have. In addition, to sample without distortion at a resolution of 14 bits or more, an input sampling switch can be provided with an on-resistance that is independent of the magnitude of the input signal using a gate-bootstrap circuit.

본 발명의 실시예에 따른 ADC는 첫 번째 단의 MDAC와 두 번째 단의 MDAC는 하나의 증폭기를 공유한다.In the ADC according to the embodiment of the present invention, the first stage MDAC and the second stage MDAC share one amplifier.

보다 구체적으로, 고속 고해상도 파이프라인 ADC 구현을 위해 MDAC의 출력신호는 각 단에서 처리하는 해상도에 따라 증폭 모드에 해당하는 클록의 반주기 내에 일정 수준의 오차범위 이내에 정착하여야 한다. 첫 번째 및 두 번째 MDAC인 MDAC1 및 MDAC2는 스위치드 커패시터 (switched-capacitor) 회로를 기반으로 하는 파이프라인 구조의 특성상 클록의 반주기 동안만 증폭 동작을 수행하고 나머지 반주기 동안은 사용하지 않는다는 점을 이용하여 면적 및 전력소모를 동시에 최소화하기 위해, 도 4와 같이 하나의 증폭기를 두 개의 입력단으로 구현하여 모든 클록 위상에서 항상 증폭 동작을 수행한다. 또한, 요구되는 높은 전압이득 및 동작속도를 만족시키기 위해 telescopic 증폭기를 2단으로 구성하여 102dB 수준의 높은 전압이득을 얻을 수 있다.More specifically, in order to implement a high-speed, high-resolution pipelined ADC, the output signal of the MDAC must be set within a certain level of error within a half period of the clock corresponding to the amplification mode according to the resolution processed at each stage. The first and second MDACs, MDAC1 and MDAC2, utilize the fact that the nature of the pipelined architecture based on switched-capacitor circuitry performs amplification operations only during the half-clock period of the clock and not during the remaining half- In order to minimize power consumption at the same time, one amplifier is implemented as two input stages as shown in FIG. 4 so that amplification operation is always performed in all clock phases. Also, in order to satisfy the required high voltage gain and operation speed, a telescopic amplifier can be configured in two stages to obtain a high voltage gain of 102dB level.

도 4의 첫 번째 단 증폭기의 두 개의 NMOS 입력단 중 사용하지 않는 입력단을 교대로 일정한 바이어스 전압으로 초기화함으로써 증폭기 공유시 발생하는 메모리 효과를 최소화할 수 있다. 또한, 도 4의 우측에서 보듯이 두 개의 입력단을 선택할 때 위상의 일부가 중첩되는 클록을 사용하여, 증폭기를 교대로 선택하는 과정에서 발생하는 글리치 에너지를 최소함으로써 증폭기가 안정적으로 동작할 수 있다. 한편, 2단 증폭기 구조에서 주파수 보상 커패시터의 한 쪽 끝을 낮은 임피던스를 가지는 캐스코드 노드에 연결함으로써 동일한 전류를 사용하였을 때 밀러 주파수 보상 기법보다 높은 위상여유를 가지는 캐스코드 주파수 보상 기법을 사용하여 60도의 위상여유를 얻음과 동시에 전력소모를 최소화할 수 있다. 입력단 SHA와 마찬가지로 MDAC1은 전체 ADC의 동적 성능에 큰 영향을 미치는 블록으로써 kT/C 잡음을 고려하여 6pF의 샘플링 커패시터를 사용할 수 있다. 통상 2단 증폭기 구조의 경우, 두 번째 단의 증폭기 잡음은 첫 번째 단의 높은 전압이득으로 나눠지기 때문에 전체 증폭기 잡음에 큰 영향은 미치지 않는다. 따라서 두 번째 단의 증폭기 잡음은 제외하고, 첫 번째 단의 telescopic 증폭기 자체에서 발생하는 열잡음을 나타내면 수학식 2와 같다.4, the memory effect of sharing the amplifier can be minimized by initializing the unused input terminals of the two NMOS input stages of the first stage amplifier to a constant bias voltage alternately. Also, as shown in the right side of FIG. 4, when the two input stages are selected, the amplifiers can operate stably by minimizing the glitch energy generated by alternately selecting the amplifiers by using a clock in which a part of the phases are overlapped. On the other hand, in a two-stage amplifier structure, a cascode frequency compensation scheme having a higher phase margin than the Miller frequency compensation scheme is used when the same current is used by connecting one end of the frequency compensation capacitor to a cascode node having a low impedance. The power consumption can be minimized while obtaining the phase margin. Like the input stage SHA, MDAC1 is a block that has a large impact on the dynamic performance of the entire ADC, and can use a 6pF sampling capacitor to account for kT / C noise. In the case of a two-stage amplifier architecture, the amplifier noise in the second stage is divided by the high voltage gain in the first stage, so that the overall amplifier noise is not affected. Thus, except for the amplifier noise in the second stage, the thermal noise generated in the first stage telescopic amplifier itself is expressed by Equation (2).

Figure 112014042280072-pat00002
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도 4의 telescopic 증폭기의 경우, 잡음에 큰 영향을 주는 소자는 입력단 트랜지스터 (M1, M2)와 전류원 트랜지스터 (M6, M7)이며 folded-cascode 증폭기에 비해서 잡음에 영향을 주는 소자가 적기 때문에 저 잡음 설계가 가능하다. 이때, 입력단 SHA와 마찬가지로 증폭기의 요구되는 출력 스윙 마진 범위 내에서 (M6, M7)의 VOV 전압을 최대한 증가시켜 트랜스컨덕턴스를 줄이고, (M1, M2)의 트랜스컨덕턴스를 증가시킴으로써 증폭기 자체에서 발생하는 열잡음 성분을 최소화할 수 있다.In the case of the telescopic amplifier shown in FIG. 4, the input stage transistors M1 and M2 and the current source transistors M6 and M7 have a large influence on the noise. Since the number of elements affecting the noise is smaller than that of the folded- Is possible. At this time, as in the input stage SHA, the V OV voltage of (M6, M7) is maximally increased within the required output swing margin of the amplifier to reduce the transconductance and increase the transconductance of (M1, M2) The thermal noise component can be minimized.

이중 모드를 구현하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 ADC는 마지막 단의 MDAC 및 flash ADC는 각각 바이어스 회로에 차단 스위치를 포함하고, 상기 마지막 단의 MDAC 및 flash ADC는 상기 각각의 차단 스위치에 의해 차단될 수 있다.To implement the dual mode, the ADC of the last stage of the ADC according to the embodiment of the present invention includes a blocking switch in the bias circuit, respectively, and the MDAC and flash ADC of the last stage are connected Can be blocked.

보다 구체적으로, 14비트 50MS/s 모드와 10비트 70MS/s 모드 동작을 동시에 구현하기 위해 10비트 모드 동작에서는 14 비트 출력 전체를 이용하지 않는다. 이를 위하여, 첫 번째 단의 MDAC 및 flash ADC의 동작을 차단시키거나 마지막 단의 MDAC 및 flash ADC 동작을 차단시킬 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 ADC는 이중모드를 구현하기 위해서, 도 5와 같이 마지막 단 MDAC3의 동작을 차단한다. 첫 번째 단의 MDAC 및 flash ADC를 차단시키는 경우, 10비트 70MS/s 모드에서 전력소모가 큰 첫 번째 단의 MDAC을 차단시킴으로써 전력소모를 최소화할 수 있다는 장점이 있으나, 두 가지 모드에서 동일한 입력 기준 잡음을 요구하는 CIS 응용에는 적합하지 않다. 한편, 마지막 단 MDAC3의 잡음 성분은 ADC의 입력단에서 보았을 때, MDAC1 및 MDAC2의 폐 루프 이득으로 나눠지기 때문에 전체 ADC의 입력 기준 잡음에 미치는 영향이 매우 미비하다. 따라서 도 5와 같이 14비트 50MS/s 모드에서 10비트 70MS/s 모드로의 전환을 위해 MDAC3의 바이어스 회로에 SHDNB 신호에 의해 제어되는 스위치를 포함하며, ADC가 10비트 70MS/s 모드로 동작할 경우 SHDNB 신호에 의해 스위치를 꺼지게 함으로써 MDAC3에서 소모되는 전력을 줄여 각 해상도에서 전력소모를 최적화함과 동시에 14비트 50MS/s 모드와 동일한 입력 기준 잡음을 얻을 수 있다. MDAC3가 동작하지 않는 동일한 시점에서 마지막 단의 flash ADC4의 바이어스 회로에도 SHDNB 신호에 의해 제어되는 스위치를 포함하여 10비트 70MS/s 모드 시 소모되는 전력을 최소화할 수 있다.More specifically, 10-bit mode operation does not use the entire 14-bit output to simultaneously implement 14-bit 50 MS / s mode and 10-bit 70 MS / s mode operation. To do this, you can block the operation of the first stage MDAC and flash ADC, or block the MDAC and flash ADC operation of the last stage. The ADC according to the embodiment of the present invention blocks the operation of the last stage MDAC3 as shown in FIG. 5 in order to implement the dual mode. In the case of blocking the first stage MDAC and flash ADC, it is advantageous to minimize the power consumption by blocking the first stage MDAC with high power consumption in 10-bit 70 MS / s mode. However, It is not suitable for CIS applications requiring noise. On the other hand, since the noise component of the last stage MDAC3 is divided by the closed loop gain of MDAC1 and MDAC2 when viewed from the input of the ADC, the influence on the input reference noise of the entire ADC is insignificant. Thus, as shown in FIG. 5, the bias circuit of MDAC3 includes a switch controlled by the SHDNB signal for switching from the 14 bit 50 MS / s mode to the 10 bit 70 MS / s mode, and the ADC operates in 10 bit 70 MS / s mode By turning off the switch by the SHDNB signal, the power consumed by MDAC3 can be reduced to achieve the same input-referred noise as the 14-bit 50 MS / s mode while optimizing power consumption at each resolution. At the same time when MDAC3 does not operate, the bias circuit of the flash ADC4 at the last stage can also minimize the power consumed in the 10-bit 70 MS / s mode, including the switch controlled by the SHDNB signal.

본 발명의 실시예에 따른 ADC는 복수의 MDAC들의 증폭 동작에 사용되는 기준전압의 구동회로와 복수의 flash ADC의 동작에 사용되는 기준전압의 구동회로가 분리된 기준전류 및 기준전압 발생기를 포함한다.The ADC according to the embodiment of the present invention includes a reference current and a reference voltage generator in which a driving circuit of a reference voltage used for amplifying operations of a plurality of MDACs and a driving circuit of a reference voltage used for operation of a plurality of flash ADCs are separated .

보다 구체적으로, 제안하는 ADC가 14비트 50MS/s 모드 및 10비트 70MS/s 모드에서 각각 요구되는 수준의 정확도를 안정적으로 얻기 위해서는 온도와 전원 전압 변화에 덜 민감한 기준전류 및 전압 발생기가 필수적으로 요구된다. 도 6은 SHA, MDAC 및 flash ADC에서 사용되는 기준전류와 기준전압 발생기를 도시한 것으로, 다양한 SoC 응용이 가능하도록 온-칩으로 집적할 수 있다. 만일, MDAC 및 flash ADC에 하나의 기준전압 구동회로를 적용할 경우, 서로 다른 정확도 사양 및 부하조건에 따른 스위치 잡음 등이 혼재되어 기준전압 불안정 문제가 발생하여 2.2VP -P 입력신호에 상응하는 14비트 수준의 고해상도를 만족하는 신호 정착성능을 확보하기 어려우며 이를 해결하기 위해 기준전압 구동회로의 높은 대역폭 및 전력소모가 요구된다. 본 발명의 실시예에 따른 ADC는 MDAC의 증폭 동작과 flash ADC 동작 시 사용되는 기준전압 구동회로만을 분리하여 단일 기준전압으로 구현된 2개의 기준전압 구동회로를 갖는다.More specifically, a reference current and voltage generator, which is less sensitive to temperature and supply voltage variations, is essential for the proposed ADC to reliably achieve the required level of accuracy in the 14-bit 50 MS / s mode and the 10-bit 70 MS / s mode, respectively do. FIG. 6 shows reference currents and reference voltage generators used in SHA, MDAC, and flash ADCs, and can be integrated on-chip to enable various SoC applications. If a single reference voltage driving circuit is applied to MDAC and flash ADC, there is a problem of reference voltage instability due to mixed noise of switch noise due to different accuracy specifications and load conditions, so that the corresponding 2.2V P -P input signal It is difficult to secure a signal fixing performance satisfying a high resolution of 14 bits. To solve this problem, high bandwidth and power consumption of the reference voltage driving circuit are required. The ADC according to the embodiment of the present invention has two reference voltage driving circuits implemented with a single reference voltage by separating only the reference voltage driving circuit used in the amplification operation of the MDAC and the flash ADC operation.

도 6과 같이 분리된 기준전압 구동회로를 통해 신호 간섭에 의한 불안정 문제를 해결함으로써 높은 해상도의 MDAC에 연결되는 기준전압이 적은 전력소모만으로 충분한 정착성능을 확보할 수 있다. 또한, 칩 내부에 20Ω 및 200pF으로 이루어진 온-칩 RC 필터와 칩 외부에 0.1uF 수준의 추가적인 바이패스-커패시터를 동시에 연결함으로써 스위치의 충전 및 방전에 의한 잡음 및 글리치 문제를 해결하여 안정적인 기준전압을 전체 ADC에 공급하도록 할 수 있다. 한편, 사용자 환경의 다양성을 고려하여, 3비트의 디지털 코드 조합에 의해 기준전류 및 전압 값의 보정이 가능하도록 하였으며, 시스템 응용에 따라 내부에 집적된 기준전압이 아닌 외부에서 인가하는 기준전압을 선택적으로 사용할 수도 있다.
As shown in FIG. 6, since the problem of instability due to signal interference is solved through the separated reference voltage driving circuit, sufficient fixing performance can be ensured by only consuming less power of the reference voltage connected to the high resolution MDAC. In addition, on-chip RC filters of 20Ω and 200pF inside the chip and an additional bypass capacitor of 0.1uF outside the chip are simultaneously connected to solve noise and glitch problems caused by charge and discharge of the switch, It can be supplied to the entire ADC. On the other hand, in consideration of the diversity of the user environment, it is possible to correct the reference current and voltage value by combining 3-bit digital codes. In addition, the reference voltage applied from the outside, rather than the reference voltage integrated in the system, .

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다중 모드 파이프라인 ADC의 칩 및 레이아웃 사진이다.7 is a chip and layout photograph of a multimode pipelined ADC according to an embodiment of the present invention.

고성능 CIS 응용을 위해 14비트 50MS/s 및 10비트 70MS/s 두 가지 모드 동작을 동시에 구현하는 ADC는 0.13um CMOS 공정을 사용하여 제작할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 ADC의 전체 칩 및 레이아웃 사진은 도 7과 같고, 입출력 패드를 제외한 칩 면적은 1.17mm2이다. 전체 ADC를 구성하는 각 회로 블록 공간 이외의 유휴 공간에는 370pF 수준의 MOS decoupling 커패시터를 온-칩으로 집적하여 각 회로 블록간의 간섭, EMI 문제, 전원 전압 및 고속 동작에서의 잡음을 최소화하였다. 시제품 ADC는 14비트 50MS/s 모드에서 192.9mW, 10비트 70MS/s 모드에서 184.9mW의 전력을 소모한다.For high performance CIS applications, an ADC that implements both 14-bit 50 MS / s and 10-bit 70 MS / s mode operation can be fabricated using a 0.13-μm CMOS process. The overall chip and layout photograph of the ADC according to the embodiment of the present invention is as shown in FIG. 7, and the chip area excluding the input / output pads is 1.17 mm 2 . The 370pF MOS decoupling capacitors are integrated on-chip in the idle space except for each circuit block space which constitutes the entire ADC, minimizing interference between each circuit block, EMI problem, power supply voltage and noise in high-speed operation. The prototype ADC consumes 192.9 mW in 14-bit 50 MS / s mode and 184.9 mW in 10-bit 70 MS / s mode.

Differential non-linearity (DNL) 및 integral non-linearity (INL)는 도 8(a)와 같이 14비트 모드의 경우 각각 최대 0.79LSB, 2.54LSB 수준을 보이며, 도 8(b)와 같이 10비트 모드의 경우 각각 최대 0.53LSB, 0.44LSB 수준을 보인다. 도 9(a) 및 (b)는 각각 시제품 ADC의 두 가지 모드인 14비트 50MS/s 모드 및 10비트 70MS/s 모드에서 4MHz의 차동 입력신호를 인가하여 측정된 신호 스펙트럼을 보여준다. 도 10(a) 및 (b)는 제안하는 시제품 ADC의 측정된 동적 성능을 보여준다. 도 10(a)는 ADC의 동작속도를 14비트 모드에서 10MS/s에서 50MS/s까지 증가시킬 경우 및 10비트 모드에서 10MS/s에서 70MS/s까지 증가시킬 경우, 4MHz의 차동 입력 주파수에서 측정된 signal-to-noise-and-distortion ratio (SNDR) 및 spurious-free dynamic range (SFDR)의 성능 변화를 나타낸다. 동작속도가 두 가지 모드에서 각각 50MS/s 및 70MS/s 까지 증가하는 동안 측정된 시제품 ADC의 차동 입력에 대한 SNDR과 SFDR은 14비트 모드에서 각각 68.5dB, 86.7dB 이상을 유지하고, 10비트 모드에서 각각 60.9dB, 78.2dB 이상을 유지한다. 도 10(b)는 각각 14비트 모드에서 50MS/s의 동작속도 및 10비트 모드에서 70MS/s의 동작속도에서 입력 주파수를 증가시킬 때의 SNDR과 SFDR을 나타낸다. 입력신호를 Nyquist 주파수까지 증가시킬 때, 14비트 모드에서 측정된 SNDR과 SFDR은 각각 64.4dB, 82.3dB 이상의 수준을 유지하며, 10비트 모드에서 58.8dB, 71.1dB 이상의 수준을 유지한다.As shown in FIG. 8A, differential non-linearity (DNL) and integral non-linearity (INL) are 0.79 LSB and 2.54 LSB maximum in the 14-bit mode, respectively. Respectively, at the maximum of 0.53LSB and 0.44LSB. 9A and 9B show signal spectra measured by applying differential input signals of 4 MHz in the 14-bit 50 MS / s mode and the 10-bit 70 MS / s mode, which are two modes of the prototype ADC, respectively. Figures 10 (a) and (b) show the measured dynamic performance of the proposed prototype ADC. 10 (a) shows the case where the operation speed of the ADC is increased from 10MS / s to 50MS / s in 14-bit mode and when it is increased from 10MS / s to 70MS / s in 10-bit mode, To-noise-and-distortion ratio (SNDR) and spurious-free dynamic range (SFDR). SNDR and SFDR for the differential inputs of the prototyped ADCs measured during the increase of the operating speed to 50 MS / s and 70 MS / s respectively in the two modes are maintained at 68.5 dB and 86.7 dB respectively in 14 bit mode, Respectively, at 60.9 dB and 78.2 dB, respectively. 10 (b) shows the SNDR and SFDR when increasing the input frequency at an operating speed of 50MS / s in 14-bit mode and an operating speed of 70MS / s in 10-bit mode, respectively. When increasing the input signal to the Nyquist frequency, the SNDR and SFDR measured in the 14-bit mode are maintained at more than 64.4 dB and 82.3 dB, respectively, and remain at 58.8 dB and 71.1 dB or more in 10-bit mode.

한편, 이론적으로 얻을 수 있는 최대 SNRthermal은 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다. 수학식 3은 수학식 4의 VP -P의 peak-to-peak 값을 갖는 정현파 입력신호의 크기 (Vrms), 수학식 5의 14비트 수준의 양자화 잡음의 크기 (NQ), 수학식 6과 같이 SHA와 MDAC1의 샘플링 스위치 및 증폭기의 열잡음으로 인해 ADC 입력단으로 유입되는 잡음의 크기 (NT) 등을 고려하여 계산되었다.On the other hand, the theoretical maximum SNR thermal can be expressed by Equation (3). Equation 3 represents the magnitude (V rms ) of the sinusoidal input signal having the peak-to-peak value of V P -P in Equation 4, the magnitude (N Q ) of the quantization noise at 14 bits in Equation 5, 6, and the magnitude (N T ) of noise introduced into the ADC input due to the thermal noise of the sampling switch and amplifier of SHA and MDAC1.

Figure 112014042280072-pat00003
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Figure 112014042280072-pat00004
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Figure 112014042280072-pat00005
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Figure 112014042280072-pat00006
Figure 112014042280072-pat00006

위 식에서 CS는 SHA와 MDAC1에서 사용된 샘플링 커패시턴스, CCS는 SHA의 부하 커패시턴스, CCM1은 MDAC1에 사용된 주파수 보상 커패시턴스를 나타내며 그 값은 각각 6pF, 6.5pF 및 1pF으로 이를 수학식 3에 대입하여 계산된 이론적인 SNRthermal은 75.5dB 수준이다.In the above equation, C S represents the sampling capacitance used in SHA and MDAC1, C CS represents the load capacitance of SHA, C CM1 represents the frequency compensation capacitance used for MDAC1, and its values are 6 pF, 6.5 pF and 1 pF, respectively, The theoretical SNR thermal calculated by substitution is 75.5dB.

도 11은 시제품 ADC의 차동 입력을 연결한 후 출력된 디지털 코드의 히스토그램을 분석하여 측정한 입력에서 본 잡음을 나타낸다. 즉, 잡음은 14비트 50MS/s 모드에서 16,384개의 출력 코드를 기반으로 측정하였으며, 측정된 입력 기준의 잡음 (NI)은 1.20LSBrms 수준이다. 이때, 수학식 4, 5 및 측정된 입력 기준 잡음을 수학식 7에 대입하여 얻은 SNRmeasured은 73.6dB 수준이다. 11 shows the noise observed from the input obtained by analyzing the histogram of the output digital code after connecting the differential input of the prototype ADC. That is, the noise is measured based on 16,384 output codes in the 14-bit 50 MS / s mode, and the measured noise reference (N I ) is 1.20 LSB rms . At this time, the SNR measurements obtained by substituting the equations (4) and (5) and the measured input reference noise into Equation (7) is 73.6 dB.

Figure 112014042280072-pat00007
Figure 112014042280072-pat00007

이 값은 이론적으로 얻을 수 있는 SNRthermal과 약 2dB 수준의 차이를 보이므로 이론적인 계산 값과 측정값이 유사한 수준임을 확인할 수 있다. 한편 10비트 70MS/s 모드의 경우, 잡음에 대한 영향이 적은 마지막 단을 차단시켰기 때문에 입력 기준 잡음이 10비트의 1LSB 수준보다 충분히 작게 측정되었다.This value is about 2dB difference from the theoretically obtainable SNR thermal , so it can be confirmed that the theoretical calculation value is similar to the measured value. On the other hand, in the case of 10-bit 70 MS / s mode, the input reference noise was measured to be sufficiently smaller than the 1 LSB level of 10 bits because it cut off the last stage with little effect on noise.

본 발명의 실시예에 따른 ADC의 주요 성능 측정 결과를 표 1에 정리하였으며, 표 2에는 기존에 발표된 14비트 수준의 ADC와 성능을 비교하였다. 10비트 모드에서 60.9dB라는 높은 SNDR을 보이며, 14비트의 높은 해상도 및 50MS/s의 동작속도를 가지면서 192.9mW의 비교적 낮은 전력소모와 68.5dB의 높은 SNDR을 나타낸다. 정지 영상 모드의 14비트 50MS/s 및 비디오 영상 모드의 10비트 70MS/s를 동시에 구현하면서 비교적 높은 동적 성능을 얻었으며 동시에 면적, 전력소모 및 잡음 성분을 최소화함에 따라 고성능 CIS에 즉각적인 응용이 가능하다.
Table 1 summarizes the major performance measurement results of the ADC according to the embodiment of the present invention. Table 2 compares the performance of the 14-bit ADC with the previously disclosed ADC. It exhibits a high SNDR of 60.9dB in 10bit mode, a relatively low power consumption of 192.9mW and a high SNDR of 68.5dB, with a high resolution of 14 bits and an operating speed of 50MS / s. It achieves relatively high dynamic performance while simultaneously realizing 14 bit 50MS / s in still image mode and 10 bit 70MS / s in video image mode. At the same time, it can instantly apply to high performance CIS by minimizing area, power consumption and noise components .

Figure 112014042280072-pat00008
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Figure 112014042280072-pat00009
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본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서는 상기 ADC를 포함할 수 있다. 정지 영상 모드의 14비트 50MS/s 및 비디오 영상 모드의 10비트 70MS/s를 동시에 구현하는 저 잡음 이중 모드 4단 파이프라인 구조의 ADC를 이용함으로써 하나의 ADC로 두가지 영상 모드를 구현할 수 있다.
A CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention may include the ADC. By using a low noise, dual-mode, four-stage pipelined ADC that simultaneously implements 14-bit 50MS / s in still image mode and 10-bit 70MS / s in video image mode, one ADC can implement two image modes.

Claims (13)

복수의 MDAC들과 복수의 flash ADC들을 포함하는 N단으로 구성된 파이프라인 구조의 ADC에 있어서,
마지막 단으로부터 순차적으로 MDAC 및 flash ADC를 포함하는 한 개의 단 이상을 차단하여 상기 ADC에서 결정되는 비트의 수를 조절하고,
첫 번째 단의 MDAC와 두 번째 단의 MDAC는 하나의 증폭기를 공유하며,
상기 첫 번째 단의 MDAC와 두 번째 단의 MDAC가 공유하는 증폭기는,
두 쌍의 NMOS 입력단으로 구성되며,
상기 증폭기의 첫 번째 단의 두 개의 NMOS 입력단 중 사용하지 않는 입력단을 교대로 소정의 바이어스 전압으로 초기화시키는 것을 특징으로 하는 ADC.
In an ADC having a pipeline structure composed of N stages including a plurality of MDACs and a plurality of flash ADCs,
The number of bits determined by the ADC is controlled by sequentially interrupting one or more stages including the MDAC and the flash ADC from the last stage,
The MDAC in the first stage and the MDAC in the second stage share one amplifier,
The amplifier shared by the MDAC of the first stage and the MDAC of the second stage,
It consists of two pairs of NMOS inputs,
Wherein the second NMOS input stage of the first stage of the amplifier is alternately initialized to a predetermined bias voltage.
제 1 항에 있어서,
상기 마지막 단의 MDAC 및 flash ADC는 각각 바이어스 회로에 차단 스위치를 포함하고,
상기 마지막 단의 MDAC 및 flash ADC는 상기 각각의 차단 스위치에 의해 차단되는 것을 특징으로 하는 ADC.
The method according to claim 1,
The MDAC and flash ADC of the last stage each include a cutoff switch in the bias circuit,
Wherein the last stage MDAC and flash ADC are interrupted by the respective blocking switch.
제 1 항에 있어서,
이득 부스팅 기법이 적용된 증폭기를 사용하는 입력단 SHA를 포함하는 것을 특징으로 하는 ADC.
The method according to claim 1,
And an input stage SHA using an amplifier to which a gain boosting technique is applied.
제 3 항에 있어서,
상기 입력단 SHA에 사용된 증폭기는,
NMOS단 이득 부스팅 증폭기는 PMOS 입력을 갖고, PMOS단 이득 부스팅 증폭기는 NMOS 입력을 갖는 폴디드 캐스코드(folded-cascode) 증폭기인 것을 특징으로 하는 ADC.
The method of claim 3,
The amplifier used for the input stage SHA includes:
Wherein the NMOS single gain boosting amplifier has a PMOS input and the PMOS single gain boosting amplifier is a folded-cascode amplifier having an NMOS input.
제 3 항에 있어서,
상기 입력단 SHA에 사용된 증폭기는,
증폭기 잡음을 최소화하기 위하여 전류원 트랜지스터의 트랜스컨덕턴스를 포화영역 안에서 최대로 감소시키고, 입력단 트랜지스터의 트랜스컨덕턴스를 포화영역 안에서 최대로 증가시키는 것을 특징으로 하는 ADC.
The method of claim 3,
The amplifier used for the input stage SHA includes:
The ADC reduces the transconductance of the current source transistor to the maximum within the saturation region and maximizes the transconductance of the input transistor within the saturation region to minimize amplifier noise.
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 첫 번째 단의 MDAC와 두 번째 단의 MDAC가 공유하는 증폭기는,
두 쌍의 NMOS 입력단으로 구성되며,
상기 두 개의 NMOS 입력단을 선택시, 위상이 중첩되는 클록을 사용하는 것을 특징으로 하는 ADC.
The method according to claim 1,
The amplifier shared by the MDAC of the first stage and the MDAC of the second stage,
It consists of two pairs of NMOS inputs,
Wherein when the two NMOS input stages are selected, a clock whose phases overlap is used.
제 1 항에 있어서,
상기 첫 번째 단의 MDAC와 두 번째 단의 MDAC가 공유하는 증폭기는,
증폭기 잡음을 최소화하기 위하여 전류원 트랜지스터의 트랜스컨덕턴스를 포화영역 안에서 최대로 감소시키고, 입력단 트랜지스터의 트랜스컨덕턴스를 포화영역 안에서 최대로 증가시키는 것을 특징으로 하는 ADC.
The method according to claim 1,
The amplifier shared by the MDAC of the first stage and the MDAC of the second stage,
The ADC reduces the transconductance of the current source transistor to the maximum within the saturation region and maximizes the transconductance of the input transistor within the saturation region to minimize amplifier noise.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 MDAC들의 증폭 동작에 사용되는 기준전압의 구동회로와 상기 복수의 flash ADC의 동작에 사용되는 기준전압의 구동회로가 분리된 기준전류 및 기준전압 발생기를 포함하는 ADC.
The method according to claim 1,
And a reference current generator and a reference voltage generator in which a driving circuit of a reference voltage used for amplifying the plurality of MDACs and a driving circuit of a reference voltage used for operation of the plurality of flash ADCs are separated.
제 10 항에 있어서,
상기 기준전류 및 기준전압 발생기는 온-칩으로 집적되는 것을 특징으로 하는 ADC.
11. The method of claim 10,
Wherein the reference current and the reference voltage generator are integrated on-chip.
제 1 항에 있어서,
상기 ADC는 내부에 집적된 기준전압 또는 외부에서 인가되는 기준전압을 선택적으로 사용하는 것을 특징으로 하는 ADC.
The method according to claim 1,
Wherein the ADC selectively uses an internally integrated reference voltage or an externally applied reference voltage.
제 1 항 내지 제 5 항, 및 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항의 ADC를 포함하는 CMOS 이미지 센서.12. A CMOS image sensor comprising the ADC of any one of claims 1 to 5 and 8 to 12.
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